JP6150288B2

JP6150288B2 - 無線通信システムおよび無線通信方法

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Publication number: JP6150288B2
Application number: JP2013181832A
Authority: JP
Inventors: 平　明徳; 明徳平; 亀田　卓; 卓亀田; 裕士三宅; 末松　憲治; 憲治末松; 高木　直; 直高木; 坪内　和夫; 和夫坪内
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: JP2015050674A

Description

本発明は、複数の無線局間で自律分散制御方式により通信を行う無線通信システムおよび無線通信方法に関する。

近年、ユーザ当たりのデータ量の急増に伴って、無線通信システムの大容量化が進められている。しかしながら、都市部での通信に適するマイクロ波帯の周波数はほぼ割り当てが完了しており、新たな周波数資源を得ることは非常に困難である。そこで、更なる無線通信の大容量化に対応するため、周波数利用効率の向上が求められている。

無線通信システムには、大きく分けて２種のシステム形態が存在する。一つは、セルラー方式の携帯電話に代表されるシステムであり、基地局において利用可能な時間・周波数・空間リソース（以下、「無線リソース」と表記する）を、配下の端末に対してスケジューリング、割り当てを行って、品質を維持した無線伝送手段を提供するものである。このシステムでは、同一システムに属する全端末を制御する基地局（制御局）が必要となるため、主として無線通信サービス事業者がライセンス周波数の割り当てを受けて運用している。

もう一つは、無線ＬＡＮに代表される自律分散制御方式のシステムである。このシステムでは、同一周波数を利用するすべての通信機器を制御する制御局は存在せず、各通信機器が一定の規則に基づいて回線の空きを確認し、それぞれの通信相手と通信を行うものである。このシステムでは、特定の事業者ではなく、幅広いユーザ（無線端末）に対して周波数を割り当てることから、ＩＳＭ帯（９２０ＭＨｚ，２．４ＧＨｚなど）や５．０Ｇ〜５．８ＧＨｚ周辺の無線ＬＡＮ用バンドのように、非常に広帯域な割り当てが可能となり、高速通信システムの構築が可能となる。加えて、簡素な制御のみで通信が可能であることから、低コストでシステム構築ができることも大きな特徴である。

周波数利用効率向上という観点で上記の２種のシステム形態を比べた場合、携帯電話型のシステムは、基地局における複雑な制御と引き換えに、無線リソースを無駄なく各ユーザに割り当てることができるため、非常に高い周波数利用効率を実現している。その一例として、ＬＴＥ（ＬｏｎｇＴｅｒｍＥｖｏｌｕｔｉｏｎ）におけるユーザデータ、およびその送達応答信号であるＡｃｋ／Ｎａｃｋ情報の割り当てイメージを、図７に示す。図７には、ダウンリンクのＨＡＲＱ（ハイブリッド自動再送要求）処理概要を示している。

図７に示すように、下りリンクにおいて、あるサブフレーム（Ｓｕｂ−ｆｒａｍｅ）で送信されたユーザデータは、端末装置（ＵＥ）によって復調され、その復調結果（Ａｃｋ／Ｎａｃｋ）が約３ｍｓの処理遅延を考慮されて割り当てられた上りリンク（ＰＵＳＣＨあるいはＰＵＣＣＨ）によって基地局側に返される。この結果を確認し、基地局側では次のデータの送信、あるいは直前のデータの再送信が行われる。上りリンクについても基地局とＵＥとの関係が逆になるが、同様のプロセスが行われる。このように、携帯電話型のシステムでは、あらかじめ受信結果を返すリソースが確保され、同様に次のデータを送信するリソースまたは直前のデータを再送信するリソースもスケジューリングされており、全端末が基地局に同期して送受信を行うため、無線リソースを無駄なく利用することが可能である（例えば、非特許文献１参照）。

一方、無線ＬＡＮに代表される自律分散制御方式のシステムとして、ＩＥＥＥ８０２．１１ａや１１ｇに代表される無線ＬＡＮの伝送方式を、図８に示す。無線ＬＡＮでは、全無線機を制御する基地局のような設備を持たないため、各無線機は独立に動作することが基本である。図８（ａ）および（ｂ）には、それぞれ無線機Ａから無線機Ｂへ情報が伝送される際、正常に伝送された場合と、途中で誤りが発生した場合の状況を示している。

図８（ａ）に示すように、伝送すべき情報を有する無線機Ａは、キャリアセンスによって回線の空きを確認後、無線機Ｂに向けて送信を開始する。無線機Ｂはこの信号を復調し、復調結果が正常であれば、ＳＩＦＳ（ＳｈｏｒｔＩｎｔｅｒＦｒａｍｅＳｐａｃｅ）時間以内にＡｃｋを無線機Ａに向けて返信する。Ａｃｋ送信後、回線は解放され、ＤＩＦＳ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＩｎｔｅｒｆｒａｍｅＳｐａｃｅ）時間経過後、別の無線機Ｃがキャリアセンスの後に情報送信することが可能となる。図８（ｂ）に示すように、無線機Ａから無線機Ｂに伝送される途中で誤りが生じた場合には、無線機Ｂは無線機Ａからの信号を受信完了後、Ａｃｋを返信できない。無線機Ａは無線機ＢからのＡｃｋの受信を失敗することにより、自分の送信が失敗したことを検知する。その後、回線は解放され、無線機Ａの情報の再送信、または他の無線機Ｃの情報送信に用いられる（例えば、非特許文献２参照）。

なお、性質の異なる複数の無線回線を組合せて単一システムとしての性能改善を図る、ヘテロジニアスネットワーク（ＨｅｔＮｅｔ）の検討が進められている。ＨｅｔＮｅｔの構成法には多くのパターンがあり、携帯電話型のシステムにおいて、セル半径の異なるマクロセルとフェムトセルとを併用するもの、あるいは３．５ＧＨｚ帯と８００ＭＨｚ帯といった異なる周波数を組合せて運用するものなどが提案されている。また、無線ＬＡＮと広域のセルラーシステムとを組合せるような異種無線統合型の方式も提案されている。

S. Sesia, I. Toufik, M. Baker, "LTE - The UMTS Long Term Evolution", WILEY, 2009,Sec.10.3.2.5 松江、守倉、"802.11高速無線LAN教科書"、ＩＤＧジャパン、２００３年３月、第３章〜第６章

非特許文献２に記載のような、無線ＬＡＮ型の自律分散制御方式の無線通信システムでは、送信の成否は受信局からのＡｃｋ応答によって初めて知ることができる。このため、図８（ｂ）の「誤り発生時」に示すように、情報パケットの途中で誤りが生じた場合、送信局である無線機Ａは、パケット全体を送り終えてＡｃｋ応答を確認するまで結果を知ることはできない。すなわち、図８（ｂ）のように途中で誤りが生じた場合、それ以降のデータ送信は全て無駄になるため、無線リソースを浪費してしまい、回線の利用効率が低下するという課題があった。特に、近年では回線効率向上を目指して１送信単位であるパケット長を長くする傾向にあることに加え、無線技術の発展によって、ＩＳＭ帯を用いる無線機器が増加し、他システムからの干渉による誤り発生の頻度が増加している。このため、無線回線の無駄な占有や回線の利用効率低下がますます顕著になっている。

なお、非特許文献１に記載された携帯電話型のシステムのように、同一の周波数チャネルを用いる全無線機を制御する仕組みを導入することもできるが、コスト面や、ＩＳＭ帯のように複数のシステムが同一周波数を共用する環境を考慮すると、現実的ではない。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、無駄な無線リソースの占有を抑制することができ、回線の利用効率を向上させることができる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る無線通信システムは、複数の無線局間で自律分散制御方式により通信を行う無線通信システムであって、各無線局の間で、パケット単位で所望のデータを送受信可能なデータチャネルと、前記データチャネルとは非同期で制御信号を送受信可能な制御チャネルとを有し、各無線局は、前記データを送信する送信局として機能するとき、１パケット内に所定の時間間隔で前記データ内にチェック情報を挿入して送信データを作成した後、その送信データを前記データチャネルで送信するデータ送信手段と、前記データを受信する受信局として機能するとき、前記送信データを受信しつつ、前記送信データに挿入された前記チェック情報に基づいて、前記送信データを正常に受信しているか、または誤って受信しているかを判定する受信判定手段と、前記受信判定手段で前記送信データを正常に受信していると判断したとき、前記制御信号として正常信号を前記制御チャネルで送信し、前記送信データを誤って受信していると判定したとき、前記制御信号として誤り信号を前記制御チャネルで送信する制御信号送信手段とを有し、前記データ送信手段で前記送信データを送信中に前記誤り信号を受信したとき、前記送信データの送信をパケット送信途中で停止するよう構成されていることを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法は、複数の無線局間で自律分散制御方式により通信を行う無線通信方法であって、各無線局の間で、パケット単位で所望のデータを送受信可能なデータチャネルと、前記データチャネルとは非同期で制御信号を送受信可能な制御チャネルとを有し、各無線局は、前記データを送信するとき、１パケット内に所定の時間間隔で前記データ内にチェック情報を挿入して送信データを作成して送信し、前記データを受信するとき、前記送信データを受信しつつ、前記送信データに挿入された前記チェック情報に基づいて、前記送信データを正常に受信しているか、または誤って受信しているかを判定し、前記送信データを誤って受信していると判定したとき、前記制御信号として誤り信号を前記制御チャネルで送信し、前記送信データを送信中に前記誤り信号を受信したとき、前記送信データの送信をパケット送信途中で停止することを特徴とする。

本発明に係る無線通信方法は、本発明に係る無線通信システムで好適に実施される。本発明に係る無線通信システムおよび無線通信方法は、送信データを送信中であっても、誤り信号を受信したとき、送信データの送信を停止するため、それ以降の無駄なデータ送信を防ぐことができる。データの送信側の無線局が、誤り信号を受信したとき回線を開放することにより、直ちに他の無線局による送信や、誤って受信されたデータの再送信を行うことができる。このように、本発明に係る無線通信システムおよび無線通信方法は、無駄な無線リソースの占有を抑制することができ、回線の利用効率を向上させることができる。

本発明に係る無線通信システムおよび無線通信方法は、スケジューラを実装するような基地局（制御局）を必要とせず、広帯域かつ高品質の高速通信システムを構築することができる。また、簡素な制御で通信が可能であり、低コストでシステム構築ができる。また、自律分散制御型の異種無線方式を統合することもできる。

本発明に係る無線通信システムおよび無線通信方法で、制御チャネルは、信頼性が高く、低遅延の回線から成ることが好ましい。また、制御チャネルは、制御信号を伝送可能な容量があればよい。制御チャネルとしては、例えば、干渉のない専用チャネルや、低い周波数領域の回線を用いることができる。また、通信回線に強力な誤り訂正を適用したり，周波数拡散を適用したりすることにより、信頼性が高く、低遅延の制御チャネルを形成してもよい。データチャネルは、制御チャネルほどの高い信頼性は必要ではないが、広帯域であることが好ましい。チェック情報としては、例えば、誤り検出符号のＣＲＣ（ＣｙｃｌｉｃＲｅｄｕｎｄａｎｃｙＣｈｅｃｋ）などを用いることができる。制御信号としては、例えば、ＡｃｋとＮａｃｋを用いることができる。

本発明に係る無線通信システムは、全ての無線局で、データチャネルおよび／または制御チャネルのフレームタイミングを共有するよう時刻同期されていることが好ましい。また、前記送信局と前記受信局との間で、前記制御信号を送信するための前記制御チャネルの制御スロットがあらかじめ設定されていることが好ましい。この場合、例えば、前記データ送信手段は、前記制御信号を送信するための前記制御チャネルの制御スロットを指定するスロット情報を、前記送信データに挿入してから送信し、前記制御信号送信手段は、受信した送信データに挿入された前記スロット情報で指定された制御スロットで、前記制御信号を送信してもよい。これにより、制御信号の衝突を回避することができる。なお、制御スロットの設定は、例えば、送信データの先頭で通知することにより行うことができる。

本発明に係る無線通信システムで、前記データ送信手段は、前記データ内に１または複数の既知情報を挿入して前記送信データを作成し、各無線局は、前記データを受信する受信局として機能するとき、前記送信データを受信しつつ、前記送信データに挿入された前記既知情報に基づいて、前記送信局との間の伝送路情報を求め、その伝送路情報から、前記送信局からの送信に適する信号形態に関する最適送信信号情報を求め、その最適送信信号情報を前記制御チャネルで送信する信号情報送信手段を有し、前記データ送信手段で前記送信データを送信中に前記最適送信信号情報を受信したとき、受信した前記最適送信信号情報に従って前記送信データの信号形態を変更して送信を行うよう構成されていることが好ましい。

この伝送路情報を求める場合、送信データを、送信局からの送信に適する信号形態に変更して送信を行うことができるため、送信データの品質を高めることができ、受信の失敗を減らして回線の利用効率を向上させることができる。また、送信局において不要な信号放射を抑えることができるため、システム全体においても信号品質を高めることができる。周期的に送信データの信号形態を変更できるため、伝送路の状態が急速に変動する高速移動状態での通信に、特に効果的である。信号形態とは、ビームフォーミングや信号多重数などの指向性パターンから成ることが好ましい。最適送信信号情報は、制御信号と同じ制御スロットで送信してもよく、制御信号と異なる制御スロットで送信してもよい。

本発明に係る無線通信システムは、全ての無線局を複数のグループに分割し、グループ毎に異なる制御チャネルを割り当てておき、各無線局は、所属するグループに割り当てられた制御チャネルで、前記制御信号の送受信を行ってもよい。この場合、各グループ内で広帯域・高品質の無線通信を行うことができる。また、グループとして、互いに独立した既存の無線ＬＡＮなどを取り込んで構成することができる。グループ毎に異なる制御チャネルを割り当てるため、各グループ間で制御信号が干渉するのを防ぐことができる。特に、制御チャネルとして低い周波数帯を用いるときには、伝送距離が長くなり干渉しやすくなるため、効果的である。制御チャネルは、周波数分割してグループ毎に割り当ててもよく、符号分割や時間分割を行って割り当ててもよい。

この複数のグループに分割する場合、各グループは、各無線局の分布範囲を複数に分割して形成されており、各無線局は、衛星からの測位信号を受信可能な受信手段と、前記受信手段で受信した測位信号から、現在位置を求める位置計算手段とを有し、前記位置計算手段で求められた現在位置に基づいて、所属するグループが決定されてもよい。さらに、各無線局は、受信手段で受信した測位信号から現在時刻を求め、求められた現在時刻に基づいて、全ての無線局の時刻または周波数を同期させてもよい。

また、各無線局に、所属するグループに割り当てられた制御チャネルを通知する制御局を有していてもよい。制御局は、各無線局のうちの一つであっても、携帯電話の基地局のような地上の基地局や衛星であってもよい。制御局から各無線局にタイミング情報を送信して、全ての無線局を同期させてもよい。

本発明によれば、無駄な無線リソースの占有を抑制することができ、回線の利用効率を向上させることができる無線通信システムおよび無線通信方法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態の無線通信システムの無線局のブロック構成図である。本発明の第１の実施の形態の無線通信システムの、送信データが正常に受信された場合のデータチャネルおよび制御チャネルのデータ構成図である。本発明の第１の実施の形態の無線通信システムの、送信データに誤りが発生した場合のデータチャネルおよび制御チャネルのデータ構成図である。本発明の第２の実施の形態の無線通信システムの、送信データが正常に受信された場合のデータチャネルおよび制御チャネルのデータ構成図である。本発明の第３の実施の形態の無線通信システムの、グループに分割したときの全体構成図である。本発明の第３の実施の形態の無線通信システムの、制御局を有する変型例を示す全体構成図である。従来のＬＴＥにおけるユーザデータ、およびその送達応答信号であるＡｃｋ／Ｎａｃｋ情報の割り当てイメージを示すデータ構成図である。従来の無線ＬＡＮの伝送方式を示す（ａ）正常時、（ｂ）誤り発生時のデータ構成図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムおよび無線通信方法を示している。本発明の第１の実施の形態の無線通信方法は、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムで好適に実施される。

本発明の第１の実施の形態の無線通信システムは、複数の無線局を有し、その複数の無線局間で自律分散制御方式により通信を行うよう構成されている。本発明の第１の実施の形態の無線通信システムは、各無線局の間で、所望のデータを送受信可能な広帯域のデータチャネルと、容量は少ないものの制御信号を送受信可能な、高信頼・低遅延の制御チャネルとを有している。

各無線局は、データチャネルと制御チャネルとを同時に送受信できる構成となっており、制御信号として、制御チャネルにＡｃｋ／Ｎａｃｋを伝送するようになっている。データチャネルおよび制御チャネルは、無線局近傍の一定範囲（例えば、無線ＬＡＮセル）で共用されており、特に制御チャネルは、非常に高信頼な通信品質が確保されている。制御チャネルで伝送するＡｃｋ／Ｎａｃｋ情報は、データパケットの大きさに比べてはるかに小さいため、データパケットに比べてはるかに小さな単位で制御パケットを伝送する制御スロットが設定されている。制御スロットの送信タイミング、および、データパケットを送信するタイミングの起点となるフレームタイミングは、近傍の無線局で全て共有されている。

図１に示すように、各無線局は、データチャネル用アンテナ１とデータチャネル用高周波部２とデータチャネル用タイミング調整部３とデータチャネル用変調部４と送信データ生成部５とデータチャネル用復調部６とＣＲＣ検証部７とキャリアセンス部８とタイミング管理部９と制御チャネル用タイミング調整部１０と制御チャネル用変調部１１とＡｃｋ／Ｎａｃｋ生成部１２と制御チャネル用アンテナ１３と制御チャネル用高周波部１４と制御チャネル用復調部１５と送信制御部１６とを有している。

データチャネル用アンテナ１は、データチャネルにより送信データを送受信可能になっている。データチャネル用高周波部２は、ベースバンドの送信データを高周波信号に変換・増幅してデータチャネル用アンテナ１に送るようになっている。また、データチャネル用アンテナ１で受信した信号をダウンコンバートし、ベースバンド信号に変換するようになっている。データチャネル用タイミング調整部３は、タイミング管理部９とキャリアセンス部８からの情報に基づいて、適切な送信タイミングで送信データをデータチャネル用高周波部２に送るようになっている。データチャネル用変調部４は、送信データを変調してデータチャネル用タイミング調整部３に送るようになっている。送信データ生成部５は、上位層からの送信情報Ｓ１から各種符号化や、ＣＲＣ（チェック情報）・制御情報の付加などのフレーミングを行って送信データを生成し、データチャネル用変調部４に送るようになっている。

データチャネル用復調部６は、データチャネル用高周波部２から受信したベースバンド信号を受け取って、復調・誤り訂正するようになっている。ＣＲＣ検証部７は、データチャネル用復調部６から信号を受け取り、その受信パケット内のＣＲＣ検証を行い、送信データを正常に受信しているか、または誤って受信しているかを判定し、正常に受信している場合には、受信機出力Ｓ２として上位層に情報を出力するようになっている。また、同時に、受信状態（正常受信／誤り発生）の情報を、Ａｃｋ／Ｎａｃｋ生成部１２に送るようになっている。キャリアセンス部８は、データチャネルの回線空き状態を検知し、その情報をデータチャネル用タイミング調整部３に送るようになっている。タイミング管理部９は、周辺の全無線局と時刻情報を共有しており、データチャネル、制御チャネル双方の送受信タイミングを管理し、その情報をデータチャネル用タイミング調整部３および制御チャネル用タイミング調整部１０に送るようになっている。

制御チャネル用タイミング調整部１０は、タイミング管理部９からの情報に基づいて、適切な送信タイミングでＡｃｋ／Ｎａｃｋの制御信号を制御チャネル用高周波部１４に送るようになっている。制御チャネル用変調部１１は、制御信号を変調して制御チャネル用タイミング調整部１０に送るようになっている。Ａｃｋ／Ｎａｃｋ生成部１２は、ＣＲＣ検証部７からの受信状態（正常受信／誤り発生）の情報に基づいて、制御信号として、正常受信のときにはＡｃｋデータを、誤り発生のときにはＮａｃｋデータを生成し、制御チャネル用変調部１１に送るようになっている。制御チャネル用アンテナ１３は、制御チャネルにより制御信号を送受信可能になっている。制御チャネル用高周波部１４は、ベースバンドの制御信号を高周波信号に変換・増幅して制御チャネル用アンテナ１３に送るようになっている。また、制御チャネル用アンテナ１３で受信した制御信号をダウンコンバートし、ベースバンド信号に変換するようになっている。

制御チャネル用復調部１５は、制御チャネル用高周波部１４から受信したベースバンド信号を受け取って、復調・誤り訂正するようになっている。送信制御部１６は、制御チャネル用復調部１５から制御信号を受け取り、制御信号がＡｃｋのときには、データチャネルでの送信を継続し、Ｎａｃｋのときには、データチャネル用高周波部２に指示を送って送信を停止し、必要であれば、送信データ生成部５に対して伝送失敗を通知してデータの再送信を行うようになっている。

各無線局は、以下のよう動作する。まず、各無線局は、上位層でデータ送信要求が発生すると、送信情報Ｓ１が入力される。送信データ生成部５で、送信情報Ｓ１に各種符号化、ＣＲＣ・制御情報の付加などのフレーミングを行って送信データを作成する。無線伝送用にフレーミングされた送信データは、データチャネル用変調部４で変調され、データチャネル用タイミング調整部３に送られる。ここで、無線局全体の時間的動作は、タイミング管理部９により管理されている。具体的には、他の無線局と時間情報（フレームタイミングやスロットタイミング）を共有し、データチャネル、制御チャネルの送受信タイミングを生成する。データチャネル用タイミング調整部３は、データチャネルの送信タイミング情報をタイミング管理部９から、回線空き状態情報をキャリアセンス部８から受け取り、送信可能と判断した場合に送信を開始する。データチャネル用高周波部２では、ベースバンドの送信データを高周波信号に変換・増幅し、データチャネル用アンテナ１より放射する。

データチャネルでは、各無線局は、送信時以外は受信局として機能している。送信データの受信時には、データチャネル用アンテナ１、データチャネル用高周波部２によってデータチャネルの信号が受信、ダウンコンバートされ、ベースバンド信号としてデータチャネル用復調部６へ送られる。データチャネル用復調部６では復調・誤り訂正処理などを行って、伝送された情報（送信データ）を復元する。ＣＲＣ検証部７では、受信した送信データ内に含まれるＣＲＣなどのデータの正確性チェック手段を用いて、受信した情報の正当性を確認し、受信機出力Ｓ２として上位層に情報を出力する。同時に、受信状態（正常受信／誤り発生）の情報を、制御チャネル用のＡｃｋ／Ｎａｃｋデータを生成するＡｃｋ／Ｎａｃｋ生成部１２に送る。

Ａｃｋ／Ｎａｃｋ生成部１２では、受信状態の情報に基づいて、制御信号のＡｃｋ信号（正常受信時）またはＮａｃｋ信号（誤り発生時）を生成する。制御信号は、制御チャネル用変調部１１にて変調された後、制御チャネル用タイミング調整部１０に送られる。制御チャネル用タイミング調整部１０では、制御チャネルの送信タイミング情報をタイミング管理部９から受け取り、同タイミングに合わせて制御チャネルでの制御信号の送信を開始する。この制御信号は、制御チャネル用高周波部１４で高周波数帯へ変換・増幅され、制御チャネル用アンテナ１３から放射される。

制御チャネルでは、各無線局は、送信時以外は受信局として機能している。制御信号の受信時には、制御チャネル用アンテナ１３、制御チャネル用高周波部１４によって制御チャネルの信号が受信、ダウンコンバートされ、ベースバンドの制御信号が制御チャネル用復調部１５に送られる。制御チャネル用復調部１５では、復調・誤り訂正処理などを行って伝送された情報が復元され、Ａｃｋ／Ｎａｃｋなどの情報として、送信制御部１６に送られる。データチャネル送信中は、送信制御部１６でデータチャネルの送信結果を監視しており、送信相手の無線局からの正常受信（Ａｃｋ）を受信している間は、データチャネルの送信を継続し、誤り発生（Ｎａｃｋ）を受信した場合には、データチャネル用高周波部２に指示を送って送信を停止し、受信状態に切り替えてデータチャネルを開放する。さらに、送信データ生成部５に対して伝送失敗を通知し、必要であればデータの再送信を行う。

なお、データチャネル用アンテナ１、データチャネル用高周波部２、データチャネル用タイミング調整部３、データチャネル用変調部４、送信データ生成部５、キャリアセンス部８およびタイミング管理部９がデータ送信手段を成し、データチャネル用アンテナ１、データチャネル用高周波部２、データチャネル用復調部６およびＣＲＣ検証部７が受信判定手段を成し、タイミング管理部９、制御チャネル用タイミング調整部１０、制御チャネル用変調部１１、Ａｃｋ／Ｎａｃｋ生成部１２、制御チャネル用アンテナ１３および制御チャネル用高周波部１４が制御信号送信手段を成している。

本発明の第１の実施の形態の無線通信システムで、無線局Ａ（送信局）から無線局Ｂ（受信局）に送信データを送信するときの、正常に受信された場合のデータチャネルおよび制御チャネルのデータ構成を図２に、誤りが発生した場合のデータ構成を図３に示す。図２および図３に示すように、受信局Ｂ宛のデータを有する送信局Ａは、フレームタイミングでキャリアセンスなどの手段によりデータチャネルの空き状態を確認し、受信局Ｂ宛の送信を開始する。データパケットには、任意あるいは一定の間隔でデータの正当性を検証するチェックパターン（ＣＲＣ）が埋め込まれており、受信局Ｂでは、対応区間のデータの正常受信を確認できる。

受信局Ｂでは、送信局Ａからのデータを受信し、復調するとともにＣＲＣによって受信成否を判断し、制御チャネルを用いてＡｃｋ／Ｎａｃｋ情報を送信局Ａ宛に返信する。図２および図３では、制御チャネルの制御スロットのうち、送信局Ａが「５番」、送信局Ｂが「４番」の制御スロットに割り当てられている。図２に示すように、正常受信された場合には、送信局Ａでは、受信局ＢからのＡｃｋ応答によって正常な無線伝送が行われていることを確認しつつ、受信局Ｂ宛のデータパケットの送信を継続する。データパケット伝送が終了すると、送信局Ａは最後のＡｃｋを受け取り、回線を開放する。次のフレームタイミングでは、別の無線局Ｃが回線の空きを確認後、送信を開始することができる。

一方、図３に示すように、データパケット伝送中に干渉などによる誤りが生じた場合、受信局Ｂではパケット中のＣＲＣによって誤りを検出することができる。誤りを検出した受信局Ｂは、制御チャネルによって送信局Ａ宛にＮａｃｋ情報を送信し、送信局Ａは直ちに送信を中断して回線を開放する。送信待機中の別の無線局Ｃは、制御チャネルの受信局ＢからのＮａｃｋによって回線が解放されることが分かるため、キャリアセンスによって送信局Ａの回線開放を確認後、最小限の待機時間でデータパケットの送信を開始することができる。

このように、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムは、送信データを送信中であっても、誤り信号（Ｎａｃｋ）を受信したとき、送信データの送信を停止するため、それ以降の無駄なデータ送信を防ぐことができる。データの送信側の無線局が、誤り信号（Ｎａｃｋ）を受信したとき回線を開放することにより、直ちに他の無線局による送信や、誤って受信されたデータの再送信を行うことができる。こうして、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムは、無駄な無線リソースの占有を抑制することができ、回線の利用効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態の無線通信システムは、スケジューラを実装するような基地局（制御局）を必要とせず、広帯域かつ高品質の高速通信システムを構築することができる。また、簡素な制御で通信が可能であり、低コストでシステム構築ができる。また、自律分散制御型の異種無線方式を統合することもできる。

本発明の第１の実施の形態の無線通信システムは、制御が簡単なストップアンドウエイト（ＳＡＷ）方式であり、無線回線利用効率改善のためにＩＥＥＥ８０２．１１ｎなどで導入されているセレクティブリピートのような、受信側で順序入替のバッファを持つ必要がない。このため、簡単な構成であるＳＡＷを利用しつつ、無線回線利用効率の向上を実現することができる。

なお、図１では、データチャネルと制御チャネルとに離れた周波数を利用することを想定しているが、周波数が比較的近い場合には、データチャネル用アンテナ１と制御チャネル用アンテナ１３、データチャネル用高周波部２と制御チャネル用高周波部１４とを共用することができる。

また、送信局からの送信データの先頭で、制御信号を送信するための制御チャネルの制御スロットを通知することにより、送信局と受信局との間で、制御スロットが設定されることが好ましい。この場合、制御信号の衝突を回避することができる。

従来、無線通信の高速化を進めるため、複数のシステムで周波数を共用する代わりに、９２０ＭＨｚ帯、５．３−５．７ＧＨｚ帯などのＩＳＭ帯や小電力データ通信用周波数帯などの広帯域な周波数を割り当てる手法が採用されている。これらの周波数帯では、複数システム間の干渉により高頻度での誤りが発生するが、広帯域・高速通信システムを実現するためには、事実上これらの周波数を利用する必要がある。一方、無線リソースの無駄を避けるには、冗長度（強力な誤り訂正、低次の変調方式）を上げて信頼性を確保することができるが、伝送速度が低下してしまう。このように、単一の回線で、高速通信（高効率な通信）と高信頼な通信とを実現するには、相反する要求を同時に満たす必要があり、極めて困難である。これに対し、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムでは、性質の異なる複数の回線を組み合わせることにより、高効率・高信頼な無線通信システムを実現するものである。

図４は、本発明の第２の実施の形態の無線通信システムおよび無線通信方法を示している。
本発明の第２の実施の形態の無線通信システムは、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムと同様に、複数の無線局を有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムと同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図４に示すように、本発明の第２の実施の形態の無線通信システムでは、無線回線利用効率をさらに向上させるため、ビームパターンなどの最適送信信号情報をフィードバックしている。すなわち、データチャネルで伝送されるデータパケットに、ＣＲＣ（チェックパターン）とともに、既知情報であるＰｉｌｏｔ信号を定期的に挿入する。受信局Ｂはデータパケット中に埋め込まれたＰｉｌｏｔ信号を用いて、無線局Ａとの間の伝送路情報を求めることができる。なお、伝送路情報の構成は、各無線局のアンテナ構成（セクタアンテナ、アレーアンテナなど）に依存するものである。

受信局Ｂでは、求められた伝送路情報から、送信局Ａと受信局Ｂとの間の通信に適するビームパターン、信号多重数などの情報を選択し、最適送信信号情報として制御チャネルで送信局Ａに通知する。送信局Ａでは、通知された最適送信信号情報のビームパターンや信号多重数などに基づいて送信ビームを形成し、送信を行う。

本発明の第２の実施の形態の無線通信システムでは、送信データを、送信局からの送信に適する信号形態に変更して送信を行うことができるため、送信データの品質を高めることができ、受信の失敗を減らして回線の利用効率を向上させることができる。また、送信局において不要な信号放射を抑えることができるため、システム全体においても信号品質を高めることができる。周期的に送信データの信号形態を変更できるため、伝送路の状態が急速に変動する高速移動状態での通信に、特に効果的である。

図５および図６は、本発明の第３の実施の形態の無線通信システムおよび無線通信方法を示している。
本発明の第３の実施の形態の無線通信システムは、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムと同様に、複数の無線局を有している。なお、以下の説明では、本発明の第１の実施の形態の無線通信システムと同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図５に示すように、本発明の第３の実施の形態の無線通信システムでは、全ての無線局を複数のグループ（ＷＬＡＮセル）に分割し、グループ毎に異なる制御チャネルを割り当てておき、各無線局は、所属するグループに割り当てられた制御チャネルで、制御信号の送受信を行うよう構成されている。各グループでは、データチャネル用の周波数は、高い周波数帯を共用し、制御チャネル用の周波数は、低い周波数帯で個別に割り当てが行われている。図５に示す一例では、無線局Ａ、Ｂは、ＷＬＡＮセル１に割り当てられ、データチャネル用の周波数は高周波数帯のｆ_ｈＨｚ、制御チャネル用の周波数は低周波数帯のｆ１Ｈｚになっている。無線局Ｅ、Ｆは、ＷＬＡＮセル２に割り当てられ、データチャネル用の周波数はＷＬＡＮセル１と同じ高周波数帯のｆ_ｈＨｚ、制御チャネル用の周波数は低周波数帯のｆ２Ｈｚになっている。

図５に示すように、高い周波数の伝搬特性と低い周波数の伝搬特性とが大きく異なるため、データチャネルの高い周波数は干渉を起こさず、繰り返し利用が可能であるが、制御チャネルの低い周波数では伝送距離が長くなり、干渉を引き起こすため、異なる周波数を個別に割り当てる必要がある。なお、データチャネル用の周波数は、必ずしも１周波数だけを共用する必要はなく、全周波数を共用する必要もない。

本発明の第３の実施の形態の無線通信システムでは、各グループ内で広帯域・高品質の無線通信を行うことができる。また、グループとして、互いに独立した既存の無線ＬＡＮなどを取り込んで構成することができる。グループ毎に異なる制御チャネルを割り当てるため、各グループ間で制御信号が干渉するのを防ぐことができる。制御チャネルは、図５に示すように周波数分割してグループ毎に割り当ててもよく、符号分割や時間分割を行って割り当ててもよい。

なお、図６に示すように、本発明の第３の実施の形態の無線通信システムで、複数のＷＬＡＮセルを含む一定範囲に対して広域の制御局を有し、制御局から報知情報として周波数割当とタイミング情報とを配信してもよい。制御局は、各無線局のうちの一つであっても、携帯電話の基地局のような地上の基地局２１や衛星２２であってもよい。この場合、各ＷＬＡＮセルに属する無線局は、配信される報知情報に基づいて、フレームタイミング、スロットタイミング、制御チャネル周波数を管理し、周辺の無線局と同期した通信を実現することができる。なお、図６に示す一例では、各ＷＬＡＮセルは、データチャネル用の周波数として高周波数帯のｆ_ｈＨｚを共用し、制御チャネル用の周波数として低周波数帯のｆ１〜ｆ６Ｈｚが個別に割り当てられている。

また、制御局として衛星２２を用いる場合、各グループは、各無線局の分布範囲を複数に分割して形成されており、各無線局は、衛星２２からの測位信号を受信可能な受信手段と、受信手段で受信した測位信号から、現在位置を求める位置計算手段とを有し、位置計算手段で求められた現在位置に基づいて、所属するグループが決定されてもよい。この場合、各無線局は、自局の地理的な位置をフィードバック無しで取得することができる。特に、日本では、準天頂衛星を用いた高精度測位システムの構築が進められており、位置情報は精度１ｍ以下、時刻情報では１０ｎｓ以下の精度で同期が可能となる可能性がある。各ＷＬＡＮセルへの無線局の帰属については、位置情報を活用して周波数割り当てを行うことにより、報知情報のみで適切な制御チャネル設定が可能となる。例えば、緯度ＸＸ度，経度ＹＹ度を中心とする半径ＺＺＺｍに位置する無線局は、制御チャネルｆ１、データチャネルｆｈを割り当てる、といった指定が可能となる。

また、制御局を有する場合、制御局からの測位信号から現在時刻を求め、求められた現在時刻に基づいて、全ての無線局の時刻および／または周波数を同期させてもよい。この場合、同期した時刻および／または周波数に基づいて制御チャネル、データチャネルの通信を行うことにより、グループ間の通信を行うことなく、グループ間の干渉を回避することができる。特に、時刻同期情報を用いることにより、グループ間で符号分割や時間分割を効果的に行うことができる。この場合、絶対時刻情報に基づいて、時刻や符号といった無線リソースを共用することができ、基地局のビーコンタイミングに合わせて動作を行う既存の地上セルラーのシステムとは大きく異なっている。

本発明の第３の実施の形態の無線通信システムによれば、割り当てられた制御チャネル、データチャネルを用いて、各無線局が近傍の無線局とタイミング管理された通信を行うことにより、自律分散的な簡易なシステム構成を維持しつつ、携帯電話型システムと同等の高効率な無線システムの構築が可能となる。

１データチャネル用アンテナ
２データチャネル用高周波部
３データチャネル用タイミング調整部
４データチャネル用変調部
５送信データ生成部
６データチャネル用復調部
７ＣＲＣ検証部
８キャリアセンス部
９タイミング管理部
１０制御チャネル用タイミング調整部
１１制御チャネル用変調部
１２Ａｃｋ／Ｎａｃｋ生成部
１３制御チャネル用アンテナ
１４制御チャネル用高周波部
１５制御チャネル用復調部
１６送信制御部

Claims

複数の無線局間で自律分散制御方式により通信を行う無線通信システムであって、
各無線局の間で、パケット単位で所望のデータを送受信可能なデータチャネルと、前記データチャネルとは非同期で制御信号を送受信可能な制御チャネルとを有し、
各無線局は、
前記データを送信する送信局として機能するとき、１パケット内に所定の時間間隔で前記データ内にチェック情報を挿入して送信データを作成した後、その送信データを前記データチャネルで送信するデータ送信手段と、
前記データを受信する受信局として機能するとき、前記送信データを受信しつつ、前記送信データに挿入された前記チェック情報に基づいて、前記送信データを正常に受信しているか、または誤って受信しているかを判定する受信判定手段と、
前記受信判定手段で前記送信データを正常に受信していると判断したとき、前記制御信号として正常信号を前記制御チャネルで送信し、前記送信データを誤って受信していると判定したとき、前記制御信号として誤り信号を前記制御チャネルで送信する制御信号送信手段とを有し、
前記データ送信手段で前記送信データを送信中に前記誤り信号を受信したとき、前記送信データの送信をパケット送信途中で停止するよう構成されていることを
特徴とする無線通信システム。
前記送信局と前記受信局との間で、前記制御信号を送信するための前記制御チャネルの制御スロットがあらかじめ設定されていることを特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
前記データ送信手段は、前記制御信号を送信するための前記制御チャネルの制御スロットを指定するスロット情報を、前記送信データに挿入してから送信し、
前記制御信号送信手段は、受信した送信データに挿入された前記スロット情報で指定された制御スロットで、前記制御信号を送信することを
特徴とする請求項１記載の無線通信システム。
前記データ送信手段は、前記データ内に１または複数の既知情報を挿入して前記送信データを作成し、
各無線局は、
前記データを受信する受信局として機能するとき、前記送信データを受信しつつ、前記送信データに挿入された前記既知情報に基づいて、前記送信局との間の伝送路情報を求め、その伝送路情報から、前記送信局からの送信に適する信号形態に関する最適送信信号情報を求め、その最適送信信号情報を前記制御チャネルで送信する信号情報送信手段を有し、
前記データ送信手段で前記送信データを送信中に前記最適送信信号情報を受信したとき、受信した前記最適送信信号情報に従って前記送信データの信号形態を変更して送信を行うよう構成されていることを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線通信システム。
前記制御チャネルは、前記データチャネルの周波数領域よりも低周波の領域に設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線通信システム。
全ての無線局を複数のグループに分割し、グループ毎に異なる制御チャネルを割り当てておき、
各無線局は、所属するグループに割り当てられた制御チャネルで、前記制御信号の送受信を行うことを
特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線通信システム。
各グループは、各無線局の分布範囲を複数に分割して形成されており、
各無線局は、衛星からの測位信号を受信可能な受信手段と、前記受信手段で受信した測位信号から、現在位置を求める位置計算手段とを有し、前記位置計算手段で求められた現在位置に基づいて、所属するグループが決定されることを、
特徴とする請求項６記載の無線通信システム。
各無線局に、所属するグループに割り当てられた制御チャネルを通知する制御局を有することを特徴とする請求項６記載の無線通信システム。
複数の無線局間で自律分散制御方式により通信を行う無線通信方法であって、
各無線局の間で、パケット単位で所望のデータを送受信可能なデータチャネルと、前記データチャネルとは非同期で制御信号を送受信可能な制御チャネルとを有し、
各無線局は、前記データを送信するとき、１パケット内に所定の時間間隔で前記データ内にチェック情報を挿入して送信データを作成して送信し、前記データを受信するとき、前記送信データを受信しつつ、前記送信データに挿入された前記チェック情報に基づいて、前記送信データを正常に受信しているか、または誤って受信しているかを判定し、前記送信データを誤って受信していると判定したとき、前記制御信号として誤り信号を前記制御チャネルで送信し、前記送信データを送信中に前記誤り信号を受信したとき、前記送信データの送信をパケット送信途中で停止することを
特徴とする無線通信方法。